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Visual

Computing (VCM)

Informations- visualisierung

Thema: 2. Wahrnehmung von Grafik - Aufmerksamkeit & Muster Dozent: Prof. Dr. Gerik Scheuermann

scheuermann@informatik.uni-leipzig.de Sprechstunde: nach Vereinbarung

Umfang: 2

Prüfungsfach: Modul Fortgeschrittene Computergrafik Medizininformatik, Angewandte Informatik

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

1. Einführung

2. Wahrnehmung von Graphik 2.1 Semiotik

2.2 Optische Wahrnehmung 2.3 Helligkeit, Kontrast, Farbe 2.4 Visuelle Aufmerksamkeit 2.5 Muster und Bewegung 3. Statistische Grundlagen 4. Darstellung von Tabellen 5. Darstellung von Graphen

6. Darstellung von Mediadaten und Prozessen

Übersicht

7. Interaktion

8. Spezifische Verfahren 9. Visual Analytics

10. Beispielanwendungen

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Auge arbeitet wie ein Informationssuchsystem.

Analogon: Suchscheinwerfer, wobei sowohl Sichtfeld

als auch der Fokus der Fovea als Lichtkegel interpretiert werden kann

Welche visuellen Anreize führen dazu, dass

„etwas ins Auge sticht“?

etwas unsere visuelle Aufmerksamkeit anspricht?

Wie funktioniert Aufmerksamkeit?

Wie lässt sie sich für die Visualisierung nutzen?

Erklärungen zum Aufbau der neuronalen Verarbeitung visueller Information helfen weiter.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Augenbewegung

Auge führt drei Arten von Bewegungen durch.

Bringt Bereiche in unser Sichtfeld, insbesondere ins Sichtfeld der Fovea (Gelber Fleck) .

Glatte Verfolgungsbewegung

Auge kann ein sich relativ gleichmäßig durch das Sichtfeld bewegendes Objekt verfolgen und somit beständig fixieren.

Konvergente Bewegung

Augen können näherndes Objekt durch konvergente Bewegung fixieren.

Fixierung sich entfernender Objekte erfolgt durch divergente Bewegung.

Fokusanpassung: Anpassung an andere Fokustiefe erfordert ca. 200ms

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

Sakkadische Bewegung

Auge führt 2-5 ruckartige Bewegungen pro Sekunde durch.

Bewegung dauert 20-100ms und ist bis zu 900°/s schnell .

Bewegungen werden von 200-600ms langen Fixierungen unterbrochen.

Bewegungen werden während Fixierungen festgelegt und dann durchgeführt.

Änderungen während der Bewegung sind nicht möglich.

Während Bewegung ist Wahrnehmung reduziert (sakkadische Suppression).

Visuelle Informationsaufnahme kann als Folge mehrerer Schnappschüsse pro Sekunde aufgefasst werden.

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Visuelle Aufmerksamkeit

Visuelle Aufmerksamkeit konzentriert im fokussierten Sichtfeld der Fovea.

Aufmerksamkeit lässt sich steuern; z.B. wichtig für warnende Darstellungen und bei vielen Visualisierungen hilfreich

Studien an Operateuren in Kraftwerken, der Industrie, sowie an Piloten:

Bei mehreren Kanälen (Fenster am Monitor, Lautsprecher,

Kontrollleuchten) wird (nicht nur visuelle) Aufmerksamkeit geschenkt

Ereignissen auf diesen Kanälen lassen sich Kosten zuordnen, die optimiert werden; z.B. nötige Augenbewegung und Wichtigkeit .

Wegen mangelnden Kurzzeitgedächtnisses müssen ereignisarme Kanäle zu häufig abgetastet werden.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Stress

Warten auf eine erwartete Reaktion des Systems schränkt Handlungen des Beobachters häufig ein, obwohl wichtigere Warnungen Aufmerksamkeit

erfordern.

Zu viel Information im Sichtfeld kann als Stress verstanden werden.

Sichtfeld wird dann weiter verkleinert; es ergibt sich ein Tunnelsichteffekt.

In Visualisierung sollte nutzbares Sichtfeld nicht mit Information überfrachtet werden.

Kleine Buchstaben: etwa 1°-4° große Sichtwinkel der Fovea;

große Buchstaben: bis zu 15°

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Userinterrupt

Wenn Aufmerksamkeit des Anwenders auf sich gezogen wird, spricht man auch von Userinterrupt.

Folgende Forderungen sind zu erfüllen:

Signal muss einfach zu erkennen sein, auch außerhalb des Fokus.

Signal sollte an Aufgabe erinnern, falls Anwender gerade keine Zeit hat.

Signal darf nicht irritieren.

Signal sollte mit seiner Bedeutung gewichtet werden können.

Ton, Objektbewegung, Objektblinken und besonders Erscheinen neuer Objekte erzeugt Aufmerksamkeit.

Lautstärke, Geschwindigkeit und Frequenz erlauben Gewichtung.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Symbolpuffer

Visueller Puffer für Symbole im Kurzzeitgedächtnis umfasst 3-7 Elemente.

Elemente verblassen nach einiger Zeit; es dauert etwas, um sie zu laden.

Puffer beschränkt unsere Verarbeitungskapazität.

Elementauswahl hängt von unserer visuellen Aufmerksamkeit und von vorher ablaufenden Prozessen im visuellen Kortex ab (Vorverarbeitung visueller Information).

Prozesse im Puffer sind sehr wichtig für Visualisierung, da sie parallel für das gesamte Sichtfeld ablaufen.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Beispiel

Zählen der Ziffer '3' in den folgenden beiden Sequenzen

Helligkeit wird offensichtlich schon vor 2. Verarbeitungsstufe geprüft.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Versuche zeigen, dass Hintergrund bei solchen Aufgaben kaum eine Rolle spielt.

Aufgaben mit 10ms/Einheit deutlich schneller als sonst (40ms/Einheit, Hintergrund bei Einheiten mitzählen!) ablaufen

(„Präattentativ“ ist ein überholter Begriff für 1. Verarbeitungsstufe)

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Folgende Elemente können in Vorverarbeitung erfasst werden

Form: Linienorientierung, Krümmung, Linienlänge, räumliche Gruppierung, Linienbreite, zusätzliche Markierung, Kollinearität, Anzahl

Farbe: Farbton, Intensität

Bewegung: Blinken, Bewegungsrichtung

Position: 2D Position, Stereoskopische Tiefe,

Konvexität (durch Schatten)

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Symbole für Visualisierung sollten möglichst in Vorverarbeitung zu unterscheiden sein.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass große Vielfalt der Symbole menschliche Leistung verringert.

Interessanterweise unterstützen fast alle obigen Elemente in Form von Mustern unsere Fähigkeit Flächeninhalt zu schätzen.

Verknüpfung verschiedener Elemente kann nicht in Vorverarbeitung

unterschieden werden.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Bestimmte Kombinationen sind aber möglich

Räumliche Cluster und Farbe

Tiefe und Farbe

Konvexität und Farbe

Bewegung und Form

Kombinationen interagieren miteinander (interference)

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Neuronale Vorverarbeitung visueller Information

Nach dem Schema gibt es

Neuronen als Filter für Bereiche mit bestimmter Position und Orientierung.

Neuronen für bestimmte Geschwindigkeit in bestimmter Richtung.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Folgende Spezialisierungen werden vermutet

Orientierung und Größe mit Berücksichtigung der Helligkeit

Farbe

Stereoskopische Tiefe

Bewegung

Zuständige Neuronen sind wie eine Karte der Retina angeordnet

Fovea wird mehr Raum zugestanden

Karte ist entsprechend verzerrt

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Grapheme

Grapheme bezeichnen die primitiven Elemente der visuellen Wahrnehmung

Haben in Phonemen (kleinste bedeutungsunterscheidende, aber nicht selbst bedeutungstragende Einheiten) der Sprache ihre Entsprechung

Grapheme lassen sich als Muster definieren, die ein Neuron im visuellen System am stärksten ansprechen, unter der Annahme, dass

Signalrate von Neuronen die Kodierung menschlicher Wahrnehmung ist (und nicht etwa der zeitliche Abstand oder die Synchronisation von

Gruppen von Neuronen)

zuerst beteiligte Neuronen über Verschiedenartigkeit der Objekte (Grapheme) entscheiden

spätere Neuronen in Verarbeitungskette daraus Objekte (Worte) erzeugen

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Gabormodell und Textur

In visuellen Bereichen 1 und 2 gibt es eine große Anzahl von Neuronen

Sind auf Orientierung und Position spezialisiert

Arbeiten nur über Helligkeit.

Als Filtermodell dient Gaborfilter

mit Kontrast C, Ausdehnung S und Rotationsmatrix O

Mit Hilfe dieser Neuronen segmentieren wir Texturen nach

dominanter Frequenz

räumlicher Orientierung und

Kontrast



F x   = Ccos Ox

S



  

  exp  x

12

+ x

22

S



  

 

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Unschärferelation

Bei Texturerkennung gilt Unschärferelation.

2. Dogma nach Barlow [Perception 1:371ff, 1972]: wir besitzen ein nach räumlicher Lage und räumlicher Frequenz gleichermaßen optimiertes visuelles System.

Gaborfilter sind hier optimal: bei fester Anzahl von Rezeptoren ist Präzision der räumlichen Lage mit Frequenzungenauigkeit zu bezahlen und umgekehrt.

Dabei erreichen Gaborfilter das theoretische Optimum des Trade-offs.

[Daugman, J. Optical Society of America, A/2:1160f, 1985]

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Texturkodierung von Information

Da die Segmentierungsleistung des Gehirns vermutlich auf Gaborfiltern beruht, sind Texturen mit Gaborprimitiven optimal .

Beachte: beim Menschen sind niedrigfrequente Kosinuskomponenten stets mit großen Gaußkomponenten gekoppelt; analog hochfrequente mit kleinen Gaußkomponenten.

Sinnvolle Texturgenerierung basiert daher auf

Orientierung O

Skala S (= 1 / Raumfrequenz)

Kontrast C

Auch andere Texturmodelle möglich, solange sie sich in O, S und C unterscheiden.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Nötige Differenz (Gabor-Texturen)

Frequenzempfindlichkeit sinkt auf 50%, wenn Entfernung um Faktor 3 abfällt.

Für Orientierung gilt eine Änderung um 30° als gut wahrnehmbar durch visuelle Vorverarbeitung (low-level).

Aber: Größenänderung von 9% ist sichtbar und Winkeldifferenzen von 5°.

Spätere Verarbeitungsprozesse helfen hier.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Texturkontrasteffekte

Wie bei Farbe und vor allem bei Helligkeit verstärkt oder schwächt Umgebung den Eindruck der Textur

Als weitere Texturdimension kommt sicher Zufälligkeit in Frage, sowie weitere noch unbekannte Dimensionen

Welt der Texturen so reichhaltig wie die der Farben

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Glyphen und multivariate Daten

Glyph ist graphisches Objekt zur Repräsentation eines multivariaten Datenobjektes.

Bei graphischen Dimensionen (Variablen) gibt es trennbare und integrale Kombinationen.

Integrale Dimensionen sind etwa die beiden Farbkanäle, da Rot und Grün Gelb ergeben

Trennbare Dimensionen sind z. B. Durchmesser und Farbe.

Ob graphische Variablen gemeinsam (integral) oder getrennt (separat) wahrgenommen werden, muss durch Experimente ermittelt werden.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Diese Unterscheidung ist nicht strikt;

es gibt schleichende Übergänge

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Für multidimensionale Daten stehen 8 Dimensionen zur Auswahl, die alle mindestens 2 Bit kodieren können

Aber nur trennbare Variablen können verwendet werden:

es bleiben etwa 32 (5 Dim‘) verschiedene Glyphen übrig.

Diese können von visueller Vorverarbeitung schnell unterschieden werden.

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Attribute für Low-Level Wahrnehmung

Farbe vs. Form

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Healey 1996]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Attribute für Low-Level Wahrnehmung: Farbe vs. Form

Farbe vs. Form

Interaktion/Interferenz zwischen Attributen

2.4 Visuelle Aufmerksamkeit

[Healey 1996]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Ziel von Visualisierung

Nutzung menschlicher Mustererkennungsfähigkeiten

zur Entdeckung bislang unbekannter Muster in den Daten oder

von Mustern, die von der Erwartung/Norm abweichen

Hier: Prinzipien nach denen wir

den 2D-Raum in Teile zerlegen,

Objekte erkennen,

Gruppen von Objekten bilden oder

Muster als ähnlich betrachten

2.5 Muster und Bewegung

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Gestaltgesetze

Gestaltschule der Psychologie (Wertheimer, Koffka, Kohler) [Koffka, 1935]

„Das Ganze ist verschieden von der Summe seiner Teile“

Mustererkennung beim Menschen folgt grundlegenden Regeln (Gestaltprinzipien); die acht wichtigsten sind

Nähe

Ähnlichkeit

Symmetrie

Verbundenheit

Stetigkeit

2.5 Muster und Bewegung

Konvexität und Abschluss

Relative Größe

Erlerntes Wissen

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Gestaltgesetze

 Typisches Problem: Figur-Grund-Trennung

Prinzip der Prägnanz: Mensch wählt bevorzugt als mentales Bild das einfachste mit den Informationen Übereinstimmende aus.

2.5 Muster und Bewegung

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Nähe

Räumlich nahe Objekte werden gruppiert und als Einheit aufgefasst.

Geringe Unterschiede sind schon wichtig.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Ähnlichkeit

Gleiche oder ähnliche Objekte werden ebenfalls zusammen gruppiert

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Stetigkeit

Erzeugt eher Objekte aus glatt und stetig miteinander verbundenen graphischen Elementen

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

Verbundenheit

Manche Forscher [Palmer, Rock, 1994] sehen Verbundenheit als das wesentliche Element an.

Bindung durch Verbundenheit bzw.

Stetigkeit ist dabei stärker als Nähe oder Ähnlichkeit.

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Symmetrie

Symmetrie begünstigt die Zusammenfassung zu einem Objekt und erlaubt Entdeckungen von Abweichungen.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

(41)

Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Abschluss und Konvexität

Geschlossene Konturen werden häufig als Objekte wahrgenommen.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004] Prinzip des Abschluss Prinzip der Konvexität

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Relative Größe

Kleinere Bereiche in Segmentierung werden als Objekte erfasst.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Figur und Hintergrund

Gestaltgesetze und Textursegmentierung führen zur Definition von Objekt und Hintergrund.

Es kann Unstimmigkeiten geben.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Ausnutzung erlernten Wissens

Nähe vs Geschlossenheit

2.5 Muster und Bewegung

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Konturen

Starke Tendenz Konturen zu erkennen, selbst wenn keine vorhanden sind.

Allerdings fehlt hier noch ein vollständiges Verständnis.

Klar ist: elementare Formen und bekannte Objektkonturen werden bevorzugt.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Bei Gabortexturen können ähnliche Richtungen zur Wahrnehmung von Konturen beitragen

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Ausnutzung in Strömungsvisualisierung

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Transparenz

Zu Interferenz zwischen transparenten Ebenen kommt es oft, da Ebenen nicht korrekt getrennt werden.

Starke Kontinuität innerhalb der Ebenen und unterschiedliche Werte der graphischen

Variablen von Ebene zu Ebene helfen hier sehr.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Wahrnehmungssyntax von Diagrammen

Diagramme sind oft hilfreich, weil sie an Wahrnehmung und an Konventionen orientierte Elemente enthalten.

Besonders graphenartige Diagramme, die aus Knoten und Verbindungen bestehen, erfüllen dieses Kriterium und sind weit verbreitet:

z. B. Organisationsdiagramme oder Softwareentwurf

Diagramme arbeiten mit geschlossenen Konturen für Objekterkennung bei Knoten, und Kontinuität als starkem Verbindungsindikator.

Solche Knoten–Verbindungsdiagramme eignen sich sehr gut für Einheit-Relationen- Modelle.

Aber: Linien können durchaus mehrdeutig sein.

2.5 Muster und Bewegung

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Einzelnen Elemente (Syntax) dieser Diagramme

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

Grammatik von Karten

Karten folgen anderen Gesetzen als Diagramme.

Hier treten nur Flächen-, Linien- und Punktmerkmale auf.

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Sehr interessant ist Darstellung von Bäumen mit Hilfe einer Karte (TreeMap) statt eines Diagramms.

Gewichte einzelner Knoten können besser ausgedrückt werden.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Bewegung

 Neben dem Erkennen von starren Objekten besitzt Mensch auch ausgeprägte

Fähigkeiten zur Bewegungswahrnehmung.

 Dabei werden gleiche Objekte von Bild zu Bild vor allem nach dem Prinzip des kleinsten Abstandes identifiziert.

Relative Bewegungen von Objekten können besonders gut wahrgenommen werden.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

(55)

Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Phasen von Bewegungen im Sinne der Fouriertransformation eignen sich sehr gut als zusätzliche graphische Variable.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Bei Ermittlung von Bewegung haben Rahmen sehr großen Einfluss, da sie als Referenz dienen.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Kausalität

Bei Bewegungen orientiert sich Gehirn an Kausalitätsbeziehungen .

Wenn erstes Objekt auf zweites Objekt trifft und sich dieses nach weniger als 70ms in Bewegung setzt, wird ein Anstoßen erkannt.

Bis zu 160ms Verzögerung werden als verzögertes Anstoßen interpretiert .

Falls in einem solchen Fall zweites Objekt schneller als Erstes ist, so wird von einem Antrieb des zweiten Objektes ausgegangen, der durch das erste Objekt ausgelöst wurde.

Effekt lässt sich auch zur Visualisierung nutzen.

2.5 Muster und Bewegung

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

 Interpretation von Bewegung einzelner Elemente als Bewegung von Tieren oder Menschen, sofern die Punkte Bezugspunkte am Körper sein könnten, die eine typische Bewegung ausführen.

 Dabei ist sogar das Erkennen von Stimmungen wie Freundlichkeit, Angst, Aggressivität bei abstrakten Modellen interkulturell möglich.

2.5 Muster und Bewegung

[Ware 2004]

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Informationsvisualisierung, WS 2011/2012

Literatur

 C. Ware: Information Visualization, 2nd Edition, Morgan Kaufman Publischers, 2004.

 J. Bertin: Graphische Darstellungen, de Gruyter, 1982

(Vergriffen, aber bei books.google.com teilweise verfügbar).

 E. Goldstein: Sensation and Perception. Cengage Learning Service, 2006.

 G. Gescheider: Psychophysics - The Fundamentals, 3rd Edition, Lawrence Erlbaum Assoc., 1997.

 M. Livingstone: What Art Can Tell Us About the Brain, Keynote IEEE VisWeek, 2008, http://vgtc.org/wpmu/vis08/2008/11/03/keynote-speaker- margaret-s-livingstone/.

 D. Bartz, D. Cunningham, J. Fischer, C. Wallraven: The Role of Perception for Computer Graphics. In Eurographics, State-of-the-Art-Reports, pp. 65-86, 2008.

 M. Livingstone: Perceptual Issues for Visualization and Evaluation. In IEEE Visualization Tutorials (2007).

 E. Swan: Experimental Design and Analysis for Human-Subject Visualization Experiments. In IEEE Visualization Tutorials (2007).

Abbildung

Figur und Hintergrund

Referenzen

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